【文章內(nèi)容簡介】 ional Volume of Fluid Method，VOF)。VOF是由Flow ，主要用來計算流體自由液面復雜的流動方式。此項技術也成為往后 CFD軟件在自由液面運動計算的先驅。[5] FLOW3D的相關應用軟件FLOW3D的計算過程大致包括三個部分：前處理，包括幾何模型的選取和網(wǎng)格劃分，F(xiàn)LOW3D本身的幾何建模功能比較簡單，但是它可以識別其他大型幾何建模軟件導出的STL文件；求解器，包括確定計算流體力學方法的控制方程，選擇離散方法進行離散，選用數(shù)值計算方法，輸人相關參數(shù)；后處理，包括速度場、壓力場、溫度場及其它參數(shù)的計算機可視化及動畫處理等，很多三維可視化軟件也能識別 FLOW3D的結果文件。所以，可以用其他軟件來代替其本身的模塊進行前期建模和三維可視化分析。其所運用到的軟件如下：（1）前處理軟件（Rhino）Rhino是由美國 Robert McNeel公司于1998年推出的一款基于非均勻樣條曲線為主三維建模軟件。其開發(fā)人員基本上是原Alias（開發(fā)MAYA的A/W公司）的核心代碼編制成員。當今，由于三維圖形軟件的異常豐富，想要在激烈的競爭中取得一席之地，必定要在某一方面有特殊的價值。因此 Rhino就在建模方面向三維軟件的巨頭們(Maya、SoftImage XSI、Houdini、3DSMAX、LightWave等)發(fā)出了強有力的挑戰(zhàn)。自從 Rhino推出以來，無數(shù)的3D專業(yè)制作人員及愛好者都被其強大的建模功能深深迷住并折服。首先，它是一個“平民化”的高端軟件：不像 Maya, SoftImag XSI等“貴族”軟件，必須在 Windows NT或Windows 2000，Windows XP，甚至 SGI圖形工作站的Irix上運行，并且還要搭配價格昂貴的高檔顯卡；而Rhino所需配置只要是Windows95，一塊 ISA顯卡，甚至一臺老掉牙的 486主機即可運行起來。其次，它不象其它三維軟件那樣有著龐大的身軀，動輒幾百兆；而 Rhino全部安裝完畢才區(qū)區(qū)只需20幾兆。因此，著實的詮釋了“麻雀雖小，五臟俱全”,其圖像的真實品質(zhì)已非常接近高端的渲染器。再次，Rhino不但用于CAD、CAM等工業(yè)設計，更可為各種卡通設計，場景制作及廣告片頭打造出優(yōu)良的模型。并以其人性化的操作流程讓設計人員愛不釋手，而最終為學習 Solid Thinking及Alias打下一個良好的基礎。總之，Rhino3D NURBS犀牛軟件是三維建模者樂于掌握的、具有特殊實用價值的三維建模軟件。（2）后處理軟件(Tecplot)Teoplot集 XY圖、二維/三維曲面以及空間立體的數(shù)據(jù)圖形顯示功能于一身，具有多種繪圖方式:等值線/面、網(wǎng)格、向量、流線、軌跡、投影和散布符等。可以支持 64個窗口同時處理 12組不同的數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)又可根據(jù)其形狀或參數(shù)分為2000多個子區(qū)。各窗口可以處理不同的幾組數(shù)據(jù)或子區(qū)，選擇不同的繪圖組合方式。優(yōu)化動態(tài)內(nèi)存管理使得每組數(shù)據(jù)可由無數(shù)個數(shù)據(jù)點組成，而每點又可以設置2000多個參數(shù)，一般的圖形只需幾秒鐘即可快速繪出；用戶可自定義外部函數(shù)來修改或產(chǎn)生新數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行鏡面映射、旋轉變換、局部提取和縮放等操作。還提供微分算子用于計算微分、導數(shù)和梯度。Tecplot對硬件環(huán)境要求不高：硬件環(huán)境適合于奔4以上微機以及DEC、SUN、VAX等工作站。需要 500M以上硬盤、256M內(nèi)存和各種EGA、GA/SVGA顯示器:軟件環(huán)境支持DOS、WINDOW、UNIX、ULTRIX等操作系統(tǒng)。圖形輸出可通過HPGL/2打印機實現(xiàn)單色或彩色輸出，支持幻燈片制作和筆式繪圖輸出圖形，還可產(chǎn)生文字排版、印刷系統(tǒng)能接受的后備處理文件。Tecplot對各種場(流場、電磁場、濃度場等)的圖形顯示及分析具有如下優(yōu)越性：(1)等值圖：場中的物理量(如壓力、密度、應力、速度、梯度等)可用不同的顏色、標號來配合等值線/面顯示。矢量除用傳統(tǒng)的箭頭方法表示外，也可繪制流線、流帶和流管；(2)縮放：對圖形中感興趣的細節(jié)進行局部放大、分析；(3)視點：將圖形做空間任意旋轉，方便地觀察到場中的各個區(qū)域；(4)剖切：可按任意角度做切面/線，將復雜的三維問題簡化為二維或一維問題；(5)提取：三維立體中的等值面/線、流線、切面/線或區(qū)域的外邊界等，都可截取出來，做為新的區(qū)域進行研究；(6)挖除：交互地設置了區(qū)的開/關或將局部區(qū)域的內(nèi)部/外部切除，方便地顯示出物體內(nèi)部的結構及數(shù)據(jù)分布；(7)迭加：畫面透明度可控制，方便多幅圖形的迭加和對比分析；(8)投影：具有消隱和多種光源投影功能，獲得最逼真的立體效果；(9)動畫：具有動畫制作、存儲和放映功能。例如不同時刻的流場情況連續(xù)地顯示，清晰地反應出整體流場的結構和非定常特性；(10)界面：下拉式菜單，簡明的實時提示幫助，可以使用鍵鼠、鼠標和熱鍵驅動。Tecplot提供兩種數(shù)據(jù)類型：Finite elementdata(有限單元型)和ordered data(有序型)。Tecplot的ordered data格式數(shù)據(jù)有兩種排列方式：point和bloek。應用專業(yè)數(shù)據(jù)后處理軟件可以讓工程師及其他科研工作人員省去很多沒必要的重復勞動，數(shù)據(jù)處理效果卻能達到專業(yè)程序員處理數(shù)據(jù)的能力，這樣也給工程師及科研工作者更多的時間與精力集中于對問題的現(xiàn)象及本質(zhì)的分析解釋上，非常值得推廣。第三章 FLOW3D軟件模擬功能初探 FLOW3D模擬流程分析FLOW3D本身的幾何建模功能比較簡單，但是它可以識別其他大型幾何建模軟件導出的STL文件；用數(shù)值計算方法，輸人相關參數(shù)，以流體動力學為基礎，充分利用以往研究成果、積累的研究經(jīng)驗，運FLOW3D軟件進行數(shù)值模擬，并根據(jù)數(shù)值模擬的結果進行分析與比較。FLOW3D模擬的方法，依據(jù)流程(如圖 31所示)去設定模擬所需參數(shù)，以進行模擬，于以下詳細說明。 圖31 利用犀牛軟件建立模型 導入Flow3D軟件，并進行網(wǎng)格劃分物理條件設定邊界條件設定初始條件設定不合適 檢查網(wǎng)格及各條件設定是否合適？ 合適 調(diào)整設定 模擬運行 成果分析 FLOW3D算例簡介實際工程中的閘門型式主要有平板閘門（Plate gate)和弧形閘門（Radial gate）兩種，閘底坎一般為平頂型（包括無坎平底型）或曲線型。采用不同的閘門型式，不同的底坎型式，閘孔出流水流的垂向收縮程度及泄流能力也會不同。本算例側重對平頂型底坎的閘孔出流進行模擬。如圖32所示，為平頂型（無坎平底型）坎上的平板閘門控制的閘孔出流。當上游恒定水頭為H，閘門開度為e，下游水深ht不變時，閘前水流在水頭H的作用下經(jīng)閘孔流出，受阻力影響，其后水深又沿程增大，受慣性作用，出閘水流繼續(xù)收縮，在閘孔下游（）e距離處，形成水深為hc的最小的收縮斷面（圖中的cc斷面），收縮斷面水深為hc，可由公式hc=ε2e計算hc的值。式中：ε2為閘孔出流的垂向收縮系數(shù)，其值小于1，大小取決于閘低坎型式、閘門底緣的型式及相對開度e/H的大小。[6] FLOW3D算例目的本算例應用FLOW3D軟件，對不同工況的平頂型底坎的閘孔出流的模擬，重點介紹了FLOW3D進行模擬計算的具體操作步驟，并對所得的模擬結果進行了相應的成果分析和理論分析，驗證公式hc=ε2e的正確性，體現(xiàn)了FLOW3D軟件的解決實際工程問題的能力，同時也為以后解決相關問題提供了一條新的思路。 FLOW3D算例模擬過程 模型簡化 圖33平頂型底坎的閘孔出流模型 上游恒定水頭H=10m，閘門開度e=2m，下游水深ht=。 FLOW3D工作窗介紹 首先，在FLOW3D的工作窗中建立一個新的窗口，作為接下來模擬的工作窗口。左鍵單擊File菜單,選擇New workspace,命名為zhakong2mi,點擊OK確定后再右鍵選擇Add New Simulation，命名為zhakong2mi,此時菜單欄中的Model Setup 及Simulation 才變?yōu)榭捎?，能夠進行接下來的模擬，如圖36所示：圖34在FLOW3D中建立模擬窗口通過 FLOW3D面板可以看到建模主界面由工具欄、菜單欄、信息區(qū)、顯示區(qū)組成。下面介紹菜單欄（當出現(xiàn)“” 是說明該菜單被選中），（當出現(xiàn)“” 是說明該子菜單被選中）。圖35FLOW3D工作界面表31 各選項的功能介紹菜單名稱 功能說明模型導航，可以新建、添加、刪除工作區(qū)或模型，顯示工作區(qū)或模型的存儲位置信息及模型運行情況。用以建立模型，包括模型概況、物理條件選擇、流體選擇、網(wǎng)格設置、邊界條件設置、初始條件設置、輸出項選擇和數(shù)值控制等.模擬過程顯示，該菜單顯示出模擬過程中時間步長、迭代次數(shù)、流體體積等參數(shù)的變化過程，進行相關參數(shù)的修改，顯示警告與錯誤。結果分析菜單，選擇結果分析的內(nèi)容，包括流速、體積、壓強、泥沙等結果參數(shù)的一維、二維、三維顯示。顯示模擬結果，對選擇的結果進行顯示，可調(diào)至任一時刻，并可縮放圖形顯示局部信息。 FLOW3D模擬過程 （1）導入模型，并進行網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建求解區(qū)域將建立好的實用堰三維實體模型保存成STL文件格式，并導入FLOW3D軟件當中，依據(jù)圖31的模擬流程進行模擬計算。導入方式如圖36所示：圖36將模型導入FLOW3D中模型導入FLOW3D中后，依據(jù)模型原始尺寸，在Modle Setup菜單中的子菜單Meshing Geometry中設置網(wǎng)格, 如圖37所示: 圖37 網(wǎng)格參數(shù)設定設定后的模型及網(wǎng)格如圖38所示： 圖38網(wǎng)格設定情況（2）模型整體模擬概況設定主要設定模擬中所使用的單位及模擬結束的條件，在 FLOW3D中，模型數(shù)值計算正常結束的條件有兩種，即：Finsh Time(計算進行一定的時間停止)及Fill fraction（液體填充一定的體積百分比停止）。本算例中消能工上游進流，下游出流，屬于連續(xù)流動，其水體體積百分比變化不大。經(jīng)過預模擬得出的結果，在數(shù)值模擬進行20秒時水流形成穩(wěn)定流動，故算例中選擇結束時間為20秒。模型計算時采用的單位要采用與流體選擇中相一致的單位，本算例中采用國際單位制，選擇“SI”。具體操作見圖39： 圖39 模擬計算的整體設置情況 （3）激活需要的物理模型本算例中僅需設置重力模型、流體模型即可，重力應該沿著 Z軸向下，單位為“SI”國際單位制。選擇Newtonian viscosity:牛頓流體及Turbuent:紊流條件。圖310 模擬計算的物理條件設定（4）輸入流體特性打開菜單后找到相應的流體，本算例為20攝氏度的水，同時應注意選擇流體的單位，本算例中為“SI”（米、千克、秒）單位。圖311模擬計算的流體條件設定（5）指定合適的邊界條件FLOW3D中邊界條件共有十種，在進行模擬時，我們通常使用常用的邊界條件列舉如表32：表32 常用邊界條件列舉邊界條件含義對稱邊界條件，表示該邊界內(nèi)外的各種流體流態(tài)均對稱定壓力邊界，表示該邊界存在給定的壓力是流體流動，它包括兩種情況，一種為Pressure(直接給定壓力值)，一般用于管道流動；另一種為Stagnation Pressure（按水壓力分布），設置水深以后即可模擬某水深情況下的靜水壓力，一般用于存在自由表面的流體流動問題波浪邊界，通過該邊界條件，可以設定波浪條件自由出流邊界，表示該邊界流體可以自由流出不透水邊界條件，表示該邊界像墻體一樣，且邊界對流體產(chǎn)生摩擦力定流速邊界，表示該邊界上流體以給定的流速通過，它包括“U”、“V”、“W”三個速度，表示 X、Y、Z三個方向的分速度 在本算例中，采用的邊界條件設定見圖312： 圖312 邊界條件設定 本算例中，出口端“Xmin”邊界設置為10m水頭的靜水壓力的定壓力，目的是控制閘前水面線。“Xmax”邊界設置為自由出流，“Ymin”、“Ymax”設置為“Wall”對稱邊界，“Zmin”、“Zmax”設置為對稱邊界。（6）初始條件條件設定初始條件包括流速、水體、溫度、濃度等，常用的就是設置初始的水體，其他條件設法相似。設置初始水體有兩種：一種是右鍵點擊initial,再選擇Add Fluid(添加流體)，就可以根據(jù)坐標添加需要的流體，本算例中添加兩部分流體，在閘孔上游，添加水體高度為10的水體，在閘孔下游，如圖313所示：圖313 初始條件設定（7）輸出條件條件設定輸出設置主要是對計算時間間隔及想要輸出的數(shù)據(jù)進行設置。時間間隔是影響計算的很重要的因素，時間間隔過短會使計算時間大幅增加；間隔過長則會使結果的顯示不連貫，在模擬的過程中多次出現(xiàn)過模擬中斷的情況，主要原因是時間間隔設置的過長，數(shù)據(jù)不能在每個網(wǎng)格上計算所致。因此，我們需要根據(jù)計算模擬出的情況，對輸出時間間隔做出調(diào)整，使得我們的輸出結果達到最連貫，最清晰的效果。設置如圖314所示： 圖314 輸出條件設定（8）模擬運行以上各個條件都設置好后，要先保存文件，進行預運行，驗證計算各參數(shù)設置的是否合適。打開警告對話框看是否存在嚴重錯誤。設置都合適了即可進行模擬運算，數(shù)值模擬得到計算結果可通過軟件自